Az Új biofilterek környezetvédelmi felhasználása című GVOP 3.3.3.-05/1-2005-05-0010/3 számú pályázati munka eredményei I. Elvégzett feladatok Résztvevő Partnerek jelölései: VIRECO Kft. V Corvinus Egyetem Mikrobiológia Tanszék MT BME. Vegyipari Műveletek Tanszék VM E+E Környezetvédelmi Kft. E Munkaszakasz I. Kezdete: 2005. 10. 01. Vége: 2006.09.30. 1. Szilárd fázisú biofilter hordozó kiválasztása Kezdete: 2005.10. 01. Vége: 2006.03.30. Partnerek: V, VM, E 1.1. Biofilterek előállítására alkalmas olcsó, hazai hordozóanyagokat vizsgáltuk, a fonalas gomba törzseket/fajokat kellő mértékben megkötők kiválasztására. (Pl. kertészeti vagy szűrő-perlit, zeolitok, keményfaforgács stb.) A kiválasztásnál alapvető szempont volt, hogy a hordozó nagy mennyiségben, ugyanolyan minőségben az év minden szakában rendelkezésre álljon. (V., E.) 1.2. Az alacsony áramlási ellenállást biztosító hordozókat választottunk ki töltött oszlopban végzett nyomásesés mérések alapján. A kiválasztott hordozók fizikai vizsgálatát végeztük annak megállapítására, hogy töltött oszlop jellegű berendezés megvalósítása esetén, milyen maximális terhelhetőség engedhető meg. A kiválasztott hordozó relatív hézagtérfogatát ismétléses mérésekkel határoztuk meg különböző töltet elrendezések esetén. (V., VM) 1.3. A hordozó adszorpciós tulajdonságainak vizsgálatát végeztük kiválasztott fém ionokkal. A bioszorbens rögzítésénél fontos paraméter a szilárd hordozó nedvesíthetősége. Az esetlegesen nem nedvesített 25-40 felület % adszorpciós tulajdonságai jelentős szerepet játszhatnak a kész biofilter nehéz fém megkötő kapacitásában. (VM.) 2. Biofilter adszorbens létrehozása Kezdete: 2005.10.01. Vége: 2006.09.30. Partner: V., MT 2.1. Fonalasgomba fajok/törzseket választottunk ki amelyek megfelelnek a biztonságos biotechnológiai alkalmazásnak (pl. nem termelnek mikotoxint, nem patogének) és amelyek olcsó folyadék vagy szilárd szubsztrátumokon fermentációval gazdaságosan elszaporíthatók sejttömeg előállítási célra. Ilyenek a növényi poliszacharidokat és cukrokat (keményítőt, cellulóz, szacharóz) vagy az 1
élelmiszeripari melléktermékeket jól hasznosító fonalasgomba fajok közül kerültek kiválasztásra. (MT.) 2.2. A kiválasztott törzsek folyadék vagy szilárd fázisú fermentációjának technológiáját kdolgoztuk ki, optimáltuk sejttömeg előállítási szempontból. (MT.) 2.3. A kiválasztott gomba/fajok környezetszennyező nehézfém megkötő képességét vizsgáltuk, az akkumulációt befolyásoló mikrobiológiai, fiziológiai és ökológiai tényezők határoztuk meg. (MT.) 2.4. A gomba micéliumoknak olcsó, könnyen hozzáférhető, lehetőleg hazai előállítású hordozókon való rögzítés-technológiáját dolgoztuk ki. Azt vizsgáltuk, hogy cellulóz tartalmú melléktermékeken való szaporítás során ez a két folyamat nem kapcsolható-e össze. (MT.) 2.5. Aktív bioszorbenst állítottunk elő a sejtek inaktiválásával, fizikai és/vagy vegyszeres kezelésével laboratóriumi léptékben. Az inaktiválás fémakkumulációra való hatását tanulmányoztuk. A kidolgozott technológiát félüzemi léptékűre fejlesztettük. (MT., V.) 2.6. A megkötött nehézfémek reszorpciójának/visszanyerésének technológiáját dolgoztuk ki, egyrészt a biofilter regenerációja, másrészt az értékes nehézfémek kinyerése szempontjából. Az egész eljárás gazdaságossága szempontjából fontos szempont az elkészített biofilter többszöri felhasználhatósága vagy az első telítés utáni megsemmisítése. 2.7. Javaslatot tettünk a félüzemi és üzemi regenerációs technológiára. Laboratóriumi kísérletek sikeres ismétléses elvégzése után lehetett a lépték növelési számításokat elvégezni. (MT., V:) 3. Biofilter berendezés megvalósítása Kezdete: 2006. 04. 01. Vége: 2006.09.30. Partnerek: VM, V 3.1 A kiválasztott hordozókon rögzített szelektált fonalas gomba törzsek/fajokkal létrehozott új biofilter vizsgáltuk. 3.1.1. Anyagátadási kísérletek végeztünk szakaszos/kevert rendszerben kiválasztott fémekkel (Pl. cink, réz, króm stb.) az adszorpció sebességének meghatározása céljából. Az elő kísérletek alapján lehetségessé vált a folyamatosan működő (Pl. töltött oszlop, két párhuzamosan batch üzemmódban működő berendezés, stb.) fázis érintkeztető rendszer kiválasztása. (VM., V) 3.1.2. Egyszerű kinetikai modellt választottunk ki és teszteltünk a mérési eredmények alapján. A mért és a modellel számított eredmények adott határon belüli megegyeztek, ami az alapja a további munkának ugyanis a léptéknövelési számításoknál megbízható modellnek kell rendelkezésre állni. (V) 3.1.3. Kísérlettervet készítettünk és valósítottunk meg az optimális üzemeltetési paraméterek meghatározása céljából. A kísérletek számának és paramétereinek előre meghatározása fontos gazdasági szempont, mivel a feleslegesen elvégzett kísérletek jelentős költség növekedést okozhattak volna. (V) 3.2. Az elő kísérletek és a kísérleti terv alapján új laboratóriumi méretű biofilter berendezést terveztünk, elkészítettünk és üzembe helyeztünk. Folyamatos betáplálással kísérleteket végeztünk az optimális paraméterek meghatározása céljából. Szükséges volt az áramlási paraméterek pontos meghatározása, hogy az 2
anyagátadás a lehetséges legkedvezőbb feltételek (magas Re szám) mellett történjen: 3.2.1. Hidrodinamikai méréseket végeztünk az üzemeltehetőség határainak feltárása céljából. Az élesztő lemosódását vizsgáltuk. A bioadszorbens további felhasználását kérdőjelezi meg, ha a véletlenszerűen előálló esetleges zavarás esetén lemosódott volna a szilárd hordozóról. (VM.) 3.2.2. Az adszorpciót befolyásoló tényezők vizsgáltuk.(ph, koncentráció, hőmérséklet). Az irodalmi adatok és eddigi tapasztalataink alapján a fémionok adszorpciója 6-9 ph tartományban kielégítő sebességgel ment végbe, de az újonnan kiválasztott fonalas gombákkal kapcsolatosan nem volt tapasztalatunk A természetes ivóvizek, a talajvizek és ipari szennyvizek nehéz fém szennyezéseire vonatkozó részletes adatok rendelkezésre álltak. Így az előfordulható koncentráció intervallumok becsülhetőek voltak, ami fontos szempont a kísérleti paraméterek meghatározása szempontjából. (VM.) 3.3. Laboratóriumi kísérletek és a felállított számítási modell alapján léptéknövelési számításokat végeztünk. Félüzemi méretű berendezést terveztünk, a széleskörű megvalósíthatóság figyelembe vételével, a berendezés megépítettük. A fizikai paraméterek (Pl. betöltött biofilter relatív hézagtérfogata, fázis szállító berendezések és ellenőrző műszerek stb.) ellenőriztük, majd a biofilter berendezést üzembe helyeztük. (VM., V) Munkaszakasz II. Kezdete: 2006. 10. 01. Vége: 2007.09.30. 4. Új biofilter berendezés környezetvédelmi alkalmazása. Kezdete: 2006. 10. 01. Vége: 2007.08.30. Partnerek: V, VM, MT, E 4.1. Víztisztítási kísérleteket végeztünk félüzemi készülékben mérgező nehéz fémek eltávolítására: 4.1.1. A méretnövelés hatását vizsgáltuk modell vízzel. (talaj, ivóvíz, felületkezelési szennyezett víz stb.) Az átlagosnak tekinthető összetételű ivó-, talaj-, és szennyezett ipari vizekkel kísérleteket végeztünk annak ellenőrzésére, hogy a félüzemi méretű berendezés számításokkal, meghatározott optimális működtetési paraméterei valóságosak-e. 4.1.2. Az ország különböző pontjairól vett ivóvíz minták tisztítását végeztük a hatósági előírásoknak megfelelő mértékig.(pl. arzén, vas, mangán). 4.1.3. Szennyezett talajvízek tisztítására végeztünk kísérleteket. (Pl. vas, ólom, kadmium, króm, cink, réz stb. eltávolítása). A különböző helyekről gyűjtött talajvizek tisztítása azt igazolta, hogy az új biofilter berendezés megfelel az előzetes elvárásoknak. 4.1.4. Ipari hulladék és szennyvizek tisztítását végeztük. (Pl. bőripari, galvánfelületkezelési víz stb.). 4.2. A kísérletek eredményei alapján javaslatot tettünk a félüzemi és üzemi méretű tisztítási technológiára és berendezés méretekre vonatkozóan. A félüzemi mérésekkel a léptéknövelési számítási modell helyességét igazoltuk. Léptéknövelési számításokat végeztünk az üzemi méretű berendezés méreteinek és az optimális üzemeltetési paramétereinek meghatározására. 3
5. A kutatás-fejlesztési tevékenység kommunikációja, az új eljárás megvalósítása és értékesítése. Kezdete: 2005.10. 01. Vége: 2007.09.30. Partnerek: V, E 5.1. Országos és nemzetközi felmérést készítettünk a kidolgozott teljes, új biofilter eljárás hasznosíthatóságáról. Partnerek kerestünk a megvalósítási és alkalmazási együttműködés kialakítása céljából. 5.2. Az alkalmazott kutató-fejlesztő tevékenység során született eredményeket közzétettük úgy, hogy ne legyen újdonság rontó egy szabadalmaztatási eljárásban. Nyilvános témabeszámolókat tartottunk www.vireco.hu honlapon, rendszeres tájékoztatás a Környezetvédelmi Szolgáltatók és Gyártók Szövetségének rendezvényein, 5.3. Marketingterv készítettünk az új eljárás hazai és nemzetközi értékesíthetőségére vonatkozóan. Marketing kutatást végeztünk az értékesítés feltételeinek kialakítására, az értékesítés és az új eljárás bevezetésének megkezdésére. 5.4. Szabadalmi Iroda vontunk be a projekt eredményeinek értékelésére, annak újdonság tartalmának megállapítására. Mellékeltük a szabadalmaztathatóságról szóló értékelést, mely szerint az eljárás jelentős újdonság tartalommal bír. További ellenőrző, nagyobb méretű ipari kísérletek megvalósítása után szabadalmaztatható lesz. II. Határidők Feladat teljesítése Határidők 1. Szilárd fázisú biofilter hordozó 2006.03.30 kiválasztása 2. Biofilter adszorbens létrehozása 2006.09.30. 3 Biofilter berendezés megvalósítása 2006.09.30. 4. Új biofilter berendezés környezetvédelmi 2007.08.30. alkalmazása 5. A kutatási-fejlesztési tevékenység 2007.09.30. kommunikációja, az új eljárás megvalósítása és értékesítése. Valamennyi feladatot határidőre teljesítettük. III. A projekt hasznosulásának lehetőségei, várható piaci kereslet Ipari alkalmazás. Az évi összes keletkező szennyvíz mennyisége kb. 2,5-3 millió m3. (lásd 5.1. pont) A szennyvíztisztítások költsége 150-500 Ft/m3, ami az új eljárás bevezetésével 30-35 %- kal csökkenthető. Ivóvíz tisztítás. 4
Hazánkban naponta 6-7 millió m3 ivóvizet állítanak elő, ebből kb. 800-900 000 m3 arzént tartalmaz, és kb.1,2 millió m3 ammóniát. Az arzén anion és kation formában is előfordul, az ammónia részben oldott ammóniagáz részben ammónium ion formájában. Az arzénmentesítés jelenleg többé-kevésbé megoldott és kifejlesztett technológia, az ammónia eltávolítása még jelentős probléma. Az arzénmentesítés jelenleg kb. 150-200 Ft/m3. az új eljárás bevezetésével 30-35 %-kal csökkenthető. Talajok kármentesítése. A kármentesítésre váró területek száma előzetes becslések alapján 30-40 000 db-ra tehető. A tisztítandó talajvíz kb. 2-3 millió m3 évente. A felszámolandó szennyeződések okozói is sokfélék: magánszemélyek, társaságok, állami intézmények, és sokszor nem is azonosíthatók az okozók. Ugyanígy a szennyezőanyagok is sokfélék: ásványolaj, nehéz fémek, peszticidek, szerves anyagok, stb. Érdemes megemlíteni, hogy a legtöbb szennyező anyag eltávolítására már létezik technológia, csak a nehéz fémek esetére nincs. A talajvíz tisztítás jelenlegi költsége 50-150 Ft/m3. Ez az érték is az új technológiával 30-35 %-kal csökkenthető. Jelenleg üzemelő és távlati vízbázisok védelme. Az általános és a regionális vízvédelem mellett szükség van az ivóvízbázisok, valamint az ásvány és gyógyvízhasznosítást szolgáló vízbázisok fokozottabb védelmére. Ezt szolgálja részben a belső, külső és hidrogeológiai védőidom kijelölése. Azonban, ha a hidrogeológiai védőidomra korábban egy iparvállalat. települt, akkor az iparvállalat környezetbe juttatott szennyezéseit minimumra kell csökkenteni ahhoz, hogy a felszín alatti vízkészlet ne szennyeződjék. Ez is indokolja az új biofilter berendezés alkalmazását a talajba jutó nehéz fémek mennyiségének csökkentésére. IV. Az egész projektben, mindkét munkaszakaszban elvégzett munka eredményeinek összefoglalása: Szilárd fázisú új biofiltert hoztunk létre Magyarországon található olcsó alapanyagok felhasználásával. Egyszerű, az ismert ioncserélő oszlopokhoz hasonló megoldással, a szennyezett folyadék egyszeri áthaladása után eléri a kívánt tisztaságot. Nem igényel külön a fázis szétválasztáshoz szükséges berendezést. A projektben megvalósított berendezés folytonos működésű, többszörös anyagátadási fázisérintkeztetést valósít meg, minden korábbi berendezésnél hatékonyabban működik. Új típusú, az élesztőktől jelentősen eltérő, az eddigieknél hatékonyabb és olcsóbb fonalas gombákat használtunk fel biológiai adszorbensként. A regenerálhatóságot vizsgáltuk és megoldottuk. Olcsó, tömegesen gyártható nehézfém mentesítésre alkalmas berendezést hozunk létre. Az alkalmazott bükkfaforgács hordozó, olcsó, könnyen hozzáférhető és hatékony működtetést tesz lehetővé. Szennyvizek nehézfém mentesítésére alkalmas az új biofilter berendezés. (galvánfelületkezelés, bőripari, gépipari, bányászat, vörös iszap csurgalék víz, fényképészeti ipari vizek stb.) Talajok remediációjánál keletkezett, nehéz fémekkel szennyezett talajvizek tisztítására alkalmas, ahogyan kísérleteinkkel bizonyítottuk. Fúrt ivóvíz kutak magas vas, mangán, arzén szennyezésének csökkentéséra is alkalmas az új berendezés, ahogyan ezt kísérleteink is igazolták. 5
Az új eljárás, a mellékelt szabadalmaztathatósági vizsgálatnak megfelelően, ipari méretű berendezéseken végzett kísérletek után szabadalmaztatható lesz. Megállapítható, hogy a teljes projektben vállalt valamennyi feladatot határidőre, eredményesen teljesítettük. Létrehoztuk a tervezett új biofiltert és bebizonyítottuk környezetvédelmi felhasználhatóságát. A fejlesztett új biofilter létrehozása és felhasználása szabadalomképes újdonságot jelent. 6